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【成果介绍】
二维（2D）材料是材料科学领域的一类新兴材料，因其在电子、光电子和能源存储等方面的潜在应用，近年来成为了研究热点。然而，二维材料在环境中的稳定性或抗降解性是其应用中面临的主要挑战之一。特别是对那些空气敏感的材料，如黑磷（BP）和过渡金属碲化物等，它们在暴露于空气中时会迅速氧化和降解，导致其电子性能显著下降。
为了克服这一问题，研究人员开发了多种封装技术，包括氧化物的沉积如原子层沉积（ALD），以及与惰性二维晶体如六方氮化硼（h-BN）的范德华封装。然而，这些传统的封装方法在实际应用中仍存在一些严重问题。
例如，通常要求设备在封装之前进行制造，否则需要通过蚀刻来暴露底层材料，这不仅增加了制造过程的复杂性，还可能对材料造成损坏。此外，沉积的氧化物厚度通常较大，去除封装层需要使用强腐蚀性化学品或干蚀刻，这会导致底层材料的污染和损坏。
有鉴于此，南洋理工大学材料科学与工程学院刘政教授团队提出了一种新的范德华封装方法，利用液态金属的本征氧化物Ga
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作为封装层。这种方法无需额外的移除封装层步骤或不可控的蚀刻，即可直接进行设备制造。封装过程可以通过在环境中手动操作或标准转移轻松实现。在光刻显影过程中，Ga
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在图案区域可以在几秒钟内同时被移除，从而实现直接设备制造。这种方法利用Ga
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的均匀和超薄形态及其高介电常数，不仅可以作为稳健的封装层，还可以作为双栅场效应晶体管的介电层。以上研究在“Advanced Materials”期刊上发表了题为“Van der Waals Encapsulation by Ultra-thin Oxide for Air-Sensitive 2D Materials”的研究论文。
研究结果表明，使用Ga
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作为封装层的BP设备性能在一个月内保持不变，而化学气相沉积（CVD）MoTe
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设备性能保持时间比未封装设备长300倍。CVD生长的MoTe
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在环境中封装150天后，设备制造后仍表现出与其原始性能相当的电性能。因此，这一工作为空气敏感二维材料的直接设备制造和电子应用提供了一种稳健且有效的封装方法。
【研究亮点】
（1）本研究首次引入了一种新的封装方法，利用液态金属中的本征氧化物Ga
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作为封装层。这种方法可以在不需要移除封装层或进行不可控蚀刻的情况下，直接进行二维材料的设备制造。
（2）实验通过在环境中手动操作或标准转移过程中，轻松地实现了Ga
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的封装。在光刻显影过程中，Ga
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可以在几秒钟内被选择性地去除，使得直接设备制造成为可能。
（3）由于Ga
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封装层的均匀和超薄形态，以及其高介电常数，Ga
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不仅作为稳健的封装层，还可以同时作为双栅场效应晶体管的介电层，适用于封装的空气敏感二维材料，如黑磷（BP）。
（4）BP设备经过设备制造后，使用Ga
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封装层，在一个月内保持了稳定的性能。而化学气相沉积（CVD）MoTe2设备经过封装后，其性能保持时间比未封装设备长达300倍。
（5）此外，对CVD生长的MoTe2进行了长达150天的环境封装后的设备制造，其电性能仍与原始性能相当，展示了Ga
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封装层在长时间保护二维材料性能方面的优越性。
【图文解读】
图1：不同封装方法之间差异的示意图。
图2.
a) 使用液态金属制备Ga
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封装层的三种方法的示意图。b) 使用源自液态金属的自限制氧化的Ga
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进行封装机制的示意图。c) 用Ga
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封装的BP的截面STEM图像。d) BP/Ga
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界面放大的截面STEM图像，显示了均匀厚度的Ga
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封装层、界面处的范德华间隙以及BP的层状结构。e) 在边缘处用Ga
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封装的BP的截面STEM图像，显示了Ga
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封装层的阶梯覆盖能力。(f)-(h) (e)中P、Ga和O元素的EDS映射图像。
图3. 示意图显示了不同环境下的设备差异：a) 未封装，b) 使用第三种方法用双层Ga
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封装的设备，c) 直接用第二种方法封装的设备。d) BP样品的光学图像：i) 刚剥离，ii) 用Ga
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封装，iii) 直接封装后制备的设备，iv) 失败的设备。BP在电极边缘退化区域标记为红色箭头。拉曼光谱：e) 未封装，f) 封装设备和g) 直接封装后制备的设备在不同时间内的环境中的变化。h) (e)-(g)中Ag2峰的拉曼强度随时间变化。e) 未封装，f) 封装设备和g) 直接封装后制备的设备在不同时间内的传输曲线。l) 不同时间内设备的归一化迁移率变化。
图4. a) 刚剥离的BP样品的光学图像。b) 直接用Ga
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封装制备的双栅BP设备。c) 刚制备的BP设备的双栅传输曲线。比例尺：(a)和(b)中为5 μm。
图5. a) 在不同时间内环境中的未封装和封装的1T' MoTe2设备的光学图像。b) 未封装和c) 封装的1T' MoTe2设备在不同时间内环境中的I-V曲线。d) 不同1T' MoTe2设备的导电性随时间变化。比例尺：(a)中为20 μm。
图6. a) 在环境中150天后部分封装的1T' MoTe2的光学图像。绿色和黄色箭头标记了Ga
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封装层的一些裂缝，底层MoTe2由于氧化变得透明，而封装区域保持了原始对比度。b) 从(a)中黑色、红色和蓝色虚线圈标记区域捕获的拉曼光谱。c) 直接封装后制备的1T' MoTe2设备的光学图像。三个设备分别用黑色、红色和蓝色箭头标记。d) (c)中三个不同1T' MoTe2设备的I-V曲线。比例尺：(a)和(c)中为20 μm。
【结论展望】
本文提出了一种新颖的范德华封装方法，利用超薄Ga
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